基因工程的应用
基因工程是综合了分子生物学、分子遗传学、微生物学等基础学科的成果在70年代初期诞生的一门生物技术。它在短短的近十几年来得到迅速发展的原因之一是由于基因工程潜在的实践应用价值。它给人们展示了一条崭新的途径来解决传统和常规方法难于解决的能源、食品、环境和医药保健等方面的难题。同时，依赖于基础学科的基因工程技术又反过来推动着生物科学、医学理论的基础研究。虽然，基因工程技术的应用开发及其研究发展甚速，但它给人们带来的经济和社会效益才初露头角或仅显示了潜在的作用。目前还存在不少实际问题，例如大规模生产的工艺问题、临床的效果等等均需认真对待。随着研究的深入和发展，基因工程将和其他生物工程技术一起，造福于人类。
基因工程在农业上的应用，一个鼓舞人心的目标是把固氮基因转移到主要的农作物上，使小麦、水稻、玉米等能自身固氮。同时，如何增加农产品中蛋白质的含量，提高作物抗病、抗寒、抗旱、抗盐或抗农药能力等，也是基因工程在农业上应用的重要课题。
广阔的海洋是一个潜力很大的宝库。海洋里有许多重要的矿物，譬如铀等，它们溶解在海水里，浓度很低。若应用基因工程技术来创造能浓集这类矿物的生物新品种，就有可能实现从海水中提炼铀。美国通用电气公司的A.M.Chakraberty曾从土壤中分离出能选择性浓缩金和铂的细菌菌株。因此采用基因工程手段来改造微生物，有可能从废物、海水和废矿渣中回收贵重金属，或者处理“三废”，达到保护环境的目的。这些都是基因工程在工业上应用的目标。
基因工程应用上最活跃的还是医药领域。它包括采用DNA重组技术生产激素等自然界来源困难的蛋白类药物；改造和创造新抗生素药物和制备基因工程疫苗；以及把基因工程技术应用于重大疾病的理论研究、临床诊断以至基因治疗等方面。
激素和蛋白类药物的工业化生产 利用基因工程技术制备激素首先获得成功的是用大肠杆菌生产生长激素释放抑制因子。1977年美国加州希望市国立医学中心的Itakura等人和加州大学的科学家一起，先用化学方法合成生长激素释放抑制因子的基因，把基因和β半乳糖苷酶基因合并并连于大肠杆菌质粒pBR322上，重组质粒转化大肠杆菌，使大肠杆菌能产生一种含生长激素释放抑制因子肽链和β半乳糖苷酶肽链的融合蛋白，提取这种蛋白在体外用溴化氢处理裂解出有活性的激素。他们从10L含重组质粒的大肠杆菌培养液中生产出5mg激素。如按常规方法，从羊的下丘脑来提取就需要用50万头羊的脑中才能得到5mg激素，由此可看出基因工程的实用意义和经济价值。
胰岛素也是最早采用基因工程生产的激素。1982年从细菌体内生产的胰岛素已准备投放市场。人的生长激素(HGH)和α干扰素等产品也先后进入临床试验阶段。到目前为止已有20多种激素和蛋白基因被克隆和表达。除了上面提及的产品外，还有人绒毛膜生长激素(HCS)、人绒毛膜促性腺激素 (HCG)、人促黄体形成激素(HCH)、促红细胞形成素(EPO)、白细胞介素-2、凝血因子Ⅷ、血纤维蛋白溶酶原激活剂(TPA)、抗胰酶蛋白、人血清蛋白、尿激酶等等。早期的基因工程的克隆表达体系大多采用原核细胞（大肠杆菌）。近期动物细胞克隆表达体系的研究发展很快，目前己出现的一种趋势是逐渐用动物细胞表达体系来代替原核表达体系进行激素和蛋白类药物的生产，例如牛乳头状瘤病毒(BPV)载体的采用。
抗生素的研制 抗生素是医药工业中一大类重要药物。现在抗生素生产中，使用菌株发酵，时间长，产量低。如采用基因工程的方法把抗生素产生基因移植到发酵时间短，又容易培养繁殖的细菌中，则可缩短工时，简化工艺，提高产量。美国斯坦福大学S.N.Cohens的实验室正研究把链霉菌产生链霉素基因转移到大肠杆菌中。可是抗生素的基因工程比较困难，因为抗生素是次生代谢产物，它的产生是受多基因控制的，控制次生代谢产物的基因比控制初级代谢产物的基因多得多。把多个基因全部阐明而且克隆于某受体系统进行表达研究是相当复杂的工作。何况对放线菌的基础遗传和基因的研究远比细菌落后，因此要模仿激素和蛋白类药物的基因工程的研制方式来生产抗生素显然是十分困难的。但应用基因工程技术于抗生素产生菌的育种工作是很好的途径。不少抗生素的基因密码在质粒上。进行质粒的种内种间转移或重组，有可能获得合成抗生素的高产菌种或创造合成新抗生素的菌株。
疫苗研究 疫苗是预防传染病的重要手段。医学上常用的是减毒的活苗，一般效果好。有些疫苗在减毒时会丧失免疫原性，个别有突变成强毒株而导致感染的情况，还有些病毒例如乙型肝炎病毒不能体外培养而无法在实验室制成疫苗，而使用患者血制备的疫苗又不安全，因此科学家们提出采用基因工程方法来制备亚单位疫苗。这种疫苗是只包含病原的主要抗原部分，而不包括病原生物的其他基因产物的疫苗。因此，首先要分离出病原体的起主要免疫功能抗原的基因，然后将其在一合适的体系中克隆和表达。鉴于大多数病原体的抗原不是单一的蛋白，而是含有相当量多糖的糖蛋白，而采用原核 （大肠杆菌）克隆体系不可能获得糖蛋白抗原，因此在疫苗制作中所采用的多半是真核克隆表达体系。乙型肝炎病毒表面抗原在酵母体系已表达成功，表达产物在电镜下可见颗粒状，在黑猩猩体内有较高的免疫原性，美国的Merk公司已开始了人的临床试验。我国的生物科学家也已成功地在酵母菌中进行乙型肝炎病毒表面抗原的表达。除用酵母体系外，美国一公司将乙型肝炎病毒表面抗原(HBsAg)基因与牛乳头状病毒(BPV)载体重组，在哺乳动物细胞内获得很好的表达，并完成了临床试用前的鉴定。除乙型肝炎病毒外，其他一些重要的人、畜病毒，如脊髓灰质炎、疱疹、流感、狂犬以及口蹄疫等病毒也都已克隆和表达成功。细菌病原体的基因工程疫苗有幼畜腹泻病疫苗。另外霍乱菌、梅毒螺旋体和麻风杆菌也正在进行研究。寄生虫类的病原体以疟疾疫苗研制为主，其设想是针对疟原虫生活史中三个主要时期即子孢子、裂殖子和配子体来鉴定各自重要的保护性抗原基因，然后克隆和表达制成疫苗，其中以环子孢子蛋白的疫苗进展最大。在疫苗研究中认为发展前途大的是制备多价疫苗，即把抗原基因插入比较安全的活苗病毒痘苗中。目前乙型肝炎病毒表面抗原基因和疟原虫环子孢子蛋白基因插入痘苗病毒，均获成功。
基因诊断 已经知道的人类遗传疾病有近2000种，它可能由基因结构的改变、染色体畸变或染色体数目异常等原因所致。基因结构的改变表现于基因的缺失或者突变，有的甚至只有一个碱基的置换而导致了病理变化，先天性代谢异常。例如，苯丙酮尿症(PKU)是一种严重的以智能发育不全为主要特征的遗传性代谢病，由于苯丙氨酸羟化酶(PAH)基因的缺失使肝细胞不能形成PAH，继而体内苯丙氨酸堆积、造成了脑组织受损，神经发育障碍。所以苯丙酮尿症是由于PAH基因缺失所致。α地中海贫血的病因也是由于α珠蛋白基因的缺失。异常血红蛋白症是一大类属于基因链中碱基的突变所引起的病理变化。镰刀状贫血是异常血红蛋白症的一种，其发生是由于β珠蛋白肽链中第6位的谷氨酸变成缬氨酸。而氨基酸的变化又是其基因密码中一个碱基的突变所造成，即CTC—→CAC。另外一类遗传疾病分析其基因结构是正常的，病状的引起在于基因表达的障碍，β地中海贫血就是如此，基因本身是完整的，可是β珠蛋白基因的表达受到障碍。一般说来，基因链上碱基的突变、缺失会导致限制性核酸内切酶识别位点的丢失或新生。因此限制酶酶解片段长度多态性(RFLP)的分析可以应用于检测基因链的变化，作为遗传性疾病的诊断方法，譬如α地中海贫血的产前诊断。这种诊断方法包括： 首先取妊娠7～9周的绒毛膜滋养细胞或16～20周的羊水细胞，从中提取DNA；再选用合适的限制性核酸内切酶进行降解，降解产物用琼脂糖凝胶电泳分离并转移到硝酸纤维膜上； 最后以同位素32P标记的α珠蛋白和ζ珠蛋白基因的片段作探针进行分子杂交，由放射自显影所得区带位置来显示被检测样品中血红蛋白α链基因的限制性核酸内切酶酶解片段长度的变化，从而诊断将来出生婴儿是否会患α地中海贫血症。β地中海贫血的分子缺陷比α地中海贫血复杂，因此基因诊断也较为复杂。先对β地中海贫血患者家系成员（主要是患者及其父母）作7个β类基因多态性酶切位点的单体型分析，确定双亲染色体中哪条单体含有致病基因，然后对羊水细胞或绒毛膜细胞进行单体型分析，确定胎儿是否含有致病基因。由于基因工程技术的不断发展，有可能分离人体各重要基因为实现遗传性疾病的基因诊断提供必需条件，譬如苯丙氨酸羟化酶的分离成功，使苯丙酮尿症的基因诊断得以实现。我国已有实验室在从事遗传性疾病的产前诊断，并在α地中海贫血以及苯丙酮尿症的基因诊断上取得良好的成果。
不仅遗传性疾病可以进行基因诊断，病毒、细菌、寄生虫等感染引起的疾病也可开展基因水平的诊断，由于高活性标记DNA探针的应用，使诊断的灵敏度、准确性都比常规方法大大提高了，它将成为医学检验和临床诊断方法学上的发展方向。
基因治疗 指用正常基因取代有缺陷的基因，从而达到治疗目的的治疗方法。前面已提到的苯丙酮尿症是由于缺乏苯丙氨酸羟化酶基因而导致的代谢病。这类先天性代谢病已知的有100多种，大多是由于单基因或者与之相连的一小簇基因的突变造成的。随着对遗传病分子生物学的深入研究以及基因工程技术的日益发展，就可能分离所需的正常基因并将它引入病变细胞，从而产生基因治疗的大胆设想。对单基因异常的治疗不外乎两种方法：一是在原位修复有缺陷的基因；二是用一个正常功能的基因来取代病变基因。前者，虽然在理论上是可行的，但真正要在人体内复杂的细胞基因组中找到异常部位，并定位地加以修复，至少目前在技术上是极难做到的。但根据基因工程方法学的发展，把正常基因引入细胞基因组内以替代异常基因，尚有可能进行探索。
目前，把基因片段引入哺乳动物细胞的技术已有很大进展，至少有以下各种不同方法：细胞或脂质体、球状体的融合术，染色体或微细胞的媒介基因转移，DNA的直接注射，电导入或媒介基因转移以及DNA或RNA病毒重组体的感染等等。DNA媒介基因转移术是把要引入的DNA和磷酸钙形成复合沉淀物，当细胞和DNA磷酸钙微沉淀物一起保温，这沉淀物被靶细胞包裹入细胞内，某些DNA可随之进入细胞核内和被重组于染色体DNA中，可是转移效率很低。另一种是把DNA直接注入靶细胞核，技术相当有效和有前途。实验证明，把一些基因（如生长激素等等）注入正在发育的小鼠胚胎体细胞和胚芽细胞，其可保留到成年期，有的甚至传代到第二代和第三代动物。但此法需要较复杂的设备和高超的技术操作，而且只有一些相当大的细胞才可能这样做。目前不少人注重于病毒载体的应用，有人将兔β珠蛋白cDNA插入SV40DNA中，替代病毒编码外壳蛋白VP1基因，重组体基因组在CV1猴肾培养细胞中有效地繁殖，带有重组体的细胞产生大量的兔β珠蛋白多肽。这证实了采用病毒重组体的感染是可行的。但有人考虑到SV40病毒本身的感染性，从而选用其他的可作真核基因载体的DNA病毒，例如乳头状瘤病毒(BPV)，还有牛痘和多瘤病毒等等。反转录病毒是RNA病毒，将RNA病毒进行改建，使之既能传递遗传信息，而自身又不能再度包装成具有感染性的完整病毒，是有前途的载体。但是反转录病毒也具有致癌性。
虽然有不少方法可将基因引入靶细胞，但是要得到一个理想的引入基因的方法尚须作一番努力。而且基因进入靶细胞之后的问题是如何达到染色体DNA的正确部位，并能稳定地保持下来和正确地表达，使基因产物接近生理水平。由此可见要把基因治疗真正作为临床治疗手段还需作很大的较长时间的努力，但是把基因工程技术应用于基因治疗是很有前途的。
基因工程应用范围很广，除以上介绍的实际应用外，对于理论研究也将有重大价值。